Что такое лазер?
Лазер — аббревиатура от английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что переводится как «усиление света посредством вынужденного излучения». Генерация лазерного излучения основана на явлении вынужденного излучения: этот процесс протекает в специальных материалах (газах, полупроводниках, твердых или жидких средах) под воздействием внешней энергии.
Лазерный пучок света имеет строго монохроматический состав, то есть излучение лазерного источника характеризуется единственной длиной волны, без рассеивания по спектру — по сути это чистый монохромный свет. Лазерный пучок распространяется с высокой направленностью, обладает концентрированной энергией, сохраняет фокусировку даже на больших расстояниях.
Сферы применения лазеров
Промышленное производство
Технологии лазерной резки, сварки, сверления отверстий отличаются высокой точностью, производительностью и бесконтактной обработкой. Они широко используются при обработке металлов, пластиков, древесины и других материалов, позволяют сократить отходы сырья и повысить эффективность производства.
Медицина и биотехнологии
Лазеры находят широкое применение в медицине: лазерная хирургия, лазерная косметология, лазерная терапия и другие направления. Лазер позволяет точно рассечь или свернуть биологические ткани, минимизируя повреждение здоровых окружающих тканей. Кроме того, лазеры используются в лечении опухолей, стоматологии и физиотерапии.
Техника связи
Лазеры обеспечивают работу волоконно-оптической связи, позволяя передавать большие объемы данных на высокой скорости на огромные расстояния — технология применяется в интернете, телевидении, телефонной связи. Лидары (LiDAR) на основе лазеров активно используются в системах автопилотирования, топографической съемке и экологическом мониторинге.
Военное дело
Лазеры имеют важное военное применение: они используются в системах наведения вооружения и противовоздушной обороны, демонстрируя преимущества высокой точности и сверхвысокой скорости действия.
Что такое волоконный лазер?
Волоконный лазер — разновидность лазера, в которой активной средой служит оптическое волокно. В отличие от традиционных твердотельных или газовых лазеров его основным рабочим элементом является волокно, а не кристалл или газ. Волоконные лазеры относятся к классу твердотельных лазеров.
Принцип работы: свет от насосного источника через отражающие зеркала вводится в волокно, легированное редкоземельными элементами. При этом ионы редкоземельных элементов переходят на возбужденные энергетические уровни, достигается инверсия населенности уровней, и внутри резонатора формируется стабильный лазерный луч на выходе.
Насосный лазерный диод генерирует насосное излучение с длиной волны 980 нм; этот свет через оптическое сопряжение поступает в активное волокно, легированное ионами иттербия (Yb). Ионы иттербия поглощают излучение 980 нм, их внутренние электроны переходят на внешние возбужденные орбитали. Возбужденное состояние нестабильно, поэтому электроны возвращаются на исходные нижние уровни, испуская фотоны с длиной волны 1070 нм. Фотоны многократно отражаются двумя отражающими элементами внутри волокна, усиливаются и формируют итоговое лазерное излучение.
Оптическое волокно
Оптическое волокно — среда для передачи света, основанная на явлении полного внутреннего отражения световых лучей.
Оно состоит из трех слоев: сердцевины, оболочки и защитного покрытия.
- Сердцевина — центральная часть волокна, изготовлена из сверхчистого диоксида кремния (кварцевого стекла), отвечает за передачу светового сигнала.
- Оболочка окружает сердцевину, также выполнена из сверхчистого диоксида кремния, но имеет меньший показатель преломления. Она формирует отражающую границу для света, обеспечивает полное внутреннее отражение световых лучей на границе сердцевины и оболочки, предотвращает утечку света наружу и выполняет механическую защитную функцию.
- Защитное покрытие — внешний слой волокна, производится из акрилатов, силиконовой резины и нейлона, защищает волокно от влаги, механических царапин и повреждений.
При попадании светового луча в сердцевину под определенным углом свет многократно отражается на границе сердцевины и оболочки и распространяется вдоль волокна. При этом потери светового сигнала значительно ниже, чем потери электрического сигнала в медных кабелях.
Насосный диод
Насосный диод — ключевой компонент высокояркостных волоконных лазеров, критически важный для технологий насоса с длиной волны 976 нм.
Сам процесс накачки — это перенос электронов атомов или молекул с низших энергетических уровней на возбужденные высокие уровни с помощью светового излучения. Данный механизм используется в лазерных системах для создания инверсии населенности уровней активной среды. Насосный диод как узловой элемент реализует этот процесс в конструкции волоконных лазеров; его высокая яркость позволяет создавать высокоэффективные модели волоконных лазеров.
